气体冷凝分离液化再固化方法及储能发电工作系统与流程

本发明属于储能领域，尤其是利用气体冷凝分离液态固态相变储能发电领域。

背景技术：

1、空气、天然气、瓦斯气、油田气、烟气、煤气、页岩气、煤制氢气、天然气制氢气、生物质制氢气，需要气体分离技术，而冷凝分离是一种常用的方法和技术，常用的冷凝分离技术，常常耗能较多，需要节能改进。

2、由于风力发电，太阳能发电，具有波动性，而煤电、核电由于用电负荷经常发生变化，就需要储能装置，抽水蓄能电站是最早采用的成熟技术方案，世界各国都在用，抽储能电站对地质条件、水质条件有较高要求，要占用大量土地，要搬迁移民，所以选址很困难。电容储能、飞轮储能容量较小，造价较高，只能在特殊场合下采用。利用地下密封的岩洞，储存压缩空气发电技术，是一种较为成熟的，并且商业化了的技术。但是合格岩洞比较少，限制了这种技术的推广。现在天然气的使用量越来越大，天然气在不同时间不同的季节，使用量不断的变化，这就需要储存天然气，以适应用户对天然气用量的变化需求。

3、当今锅炉排放的烟气，窑炉排放的烟气，高炉排放的烟气等，常常含有大量的二氧化碳气，硫的氧化物，氮的氧化物，汞以及其他重金属pm2.5等有毒有害物质对环境、对人都有害。二氧化碳减排，是世界各国关心的大事。二氧化碳气单独搜集，还很耗能，投资运行成本都很高。单独的烟气除硫、除硝设备投资与运行成本也很高。这就给冷凝分离储能技术带来商机，通过冷凝分离烟气，分离出各种单一气体，都可以转化为有用资源加以利用。当今高温超导技术有了很大的发展，超导储能器，超导传输线，超导发电机，超导电动机，超导变压器，超导限流器，已经投入使用。但他们都需要自备冷源，这就增加超导器件生产成本和运行成本。如果能够利用冷凝分离出的液体气体的冷能，就可以减少超导器件制冷装置，又可以更大规模、更可靠、更低成本地支持和推广超导技术的发展。

4、当今燃煤发电和生物质燃烧发电，工质是水蒸气，这给缺水有煤、有生物质资源的地区，就近建设发电站带来困难。燃气、燃油发电系统利用废热锅炉产生蒸汽推动汽轮机发电，也需要水资源。这给缺水地区建设燃气、燃油电站带来困难。而利用烟气分离过程中产生的水，可以减少电站对水的需求，就可以解决缺水问题。燃煤、燃气发电过程中，有大量的低温热能没有充分利用，而且还要消耗一部分能量去解决散热问题，如果利用气体冷凝分离技术就能将低温热能转换成电能，并且能提高总体发电效率。为了解决上述问题，给出以下技术解决方案。发明专利zl 201410374466.8接续本发明。

技术实现思路

1、1.气体冷凝分离液态气固态气生成方法及储能发电工作系统，其特征是：由压缩机组(1)、压缩热储热换热器(2)、储液槽(3)、储液槽(4)、气液分离器(5)、节流阀(6)、节流阀(7)、主换热器(8)、压缩机组(9)、换热器 (10)、膨胀机组(11)、膨胀机组(12)、氦气压缩机组(13)、换热器(14)、可利用热能储能换热器(15)、主膨胀机组(16)、发电机(17)、ac/dc电流变换器(18)、超导储能器(19)、气体换热储液槽(20)、氦气膨胀机(21)、膨胀机(22)、节流阀(23)、氦气膨胀机(24)、氦气储气罐(25)、液氦储液罐(26)、氦气储罐或者氦气精炼提纯设备(27)、液氧储液罐或者液氧精馏设备(28)、液氦液压泵(29)、气体冷凝分离存质升压储能环柱塔阵中的塔(t4)、塔(t5)、塔(t6)、塔芯(c1)、塔芯(c2)、塔芯(c3)、塔芯(c4)、塔芯(c5)、塔芯(c6)、塔芯(c7)、塔芯(c8)、氦气冷凝分离存质升压储能环柱塔阵中的塔(h1)、塔(h2)、塔(h3)、塔(h4)、塔芯(d1)、塔芯(d2)、塔芯(d3)、塔芯(d4)、气体固化冷冻储存塔阵中的塔(f1)、塔(f2)、塔(f3)、塔(f4)、塔(f5)、塔芯(e1)、塔芯(e2)、塔芯(e3)、塔芯(e4)、塔芯(e5)、盖板(g1)、盖板(g2)、盖板(g3)、盖板(g4)、盖板(g5)，

2、气体冷凝分离液态气固态气生成方法及储能发电工作流程：原料气经压缩机(1)压缩后，进入压缩热储热换热器(2)，然后原料气进入气体冷凝分离存质升压储能环柱塔阵，通过控制塔(t4)两个数控三通阀、塔(t5) 两个数控三通阀、塔(t6)两个数控三通阀，使原料气体依照次序流过塔(t4)、塔(t5)、塔(t6)，并且依次与塔芯(c4)、塔芯(c5)、塔芯(c6)中冷气和冷液交换热量，由于温度不断地降低，原料气中的水、二氧化碳气体先后被液化，并引出塔外，输入到储液槽(3)和储液槽(4)，剩下的比较纯的原料气已经接近液化温度或达到液化温度出塔阵，进入气液分离器(5)，而气液分离器(5)下部的液态原料气，经过节流阀(6)降压后进入储液槽(20)，储液槽(20)上部气体进入主换热器(8)释放冷能后，进入液化循环压缩机组(9)之后，再进入换热器(10)，压缩热被吸收，失去压缩热的气体返回主换热器(8)，其中一部分原料气降低温度后，经过节流阀(7)降压降温后进入储液槽(20)，另外一部分经过主换热器(8)中间抽头，引出一部分降温原料气进入膨胀机(11)降温降压后，进入储液槽(20)，来自气液分离器(5)上部的原料气经主换热器(8)交换热量后，进入膨胀机组(12)膨胀后，低温原料气也进入储液槽(20)，储液槽(20)底部液态原料气送入气体冷凝分离存质升压储能环柱塔阵中的塔芯(c7)，塔芯(c7)装满后，液态原料气再送入塔芯(c8)，用于冷却进入塔阵原料气，而冷却的液态气，可以送往超导储能装置(19)及超导器件，用于保持低温超导状态，气体冷凝分离存质升压储能环柱塔阵中的塔芯(c2)、塔芯(c3)内部液态原料气与已经进入塔阵的原料气交换热量，使得塔芯(c3)升温到接近常温时成为高压原料气”气体储气罐”，以此类推塔芯(c1)、塔芯(c2)、塔芯(c8)、塔芯(c7)等也都成为高压原料气”气体储气罐”，当需要发电时，电控指令经塔芯(c3)数控六通阀，使塔芯(c3)内高压原料气和塔芯(c2)内经过前一次高压释放后剩余的较低压原料气，一起经压缩热储热换热器(2)、可利用热能储能换热器(15)加热后，共同去推动主膨胀机组(16) 做功，并驱动发电机(17)发电，发出的电能一部分经ac/dc交直流变流器(18)，储存在超导储能装置(19)中，用于提高电能质量和适应各种用电负荷变化的需求，膨胀后的气体如果温度接近常温，通过数控四通阀，直接送往压缩机组(1)形成一个完整的封闭回路循环，如果温度比较低，低于压缩机(9)入口温度时，经过数控四通阀，换热器(10)、压缩机(9)换热器(8)气体节流阀(7)、膨胀机(11)一起进入气体换热储液槽(20)，如果温度高于常温通过数控四通阀就将原料气送往希望升温的装置或地方，并且不断补充输送清洁的原料气体给压缩机组(1)，为了增加储存冷能，可以将气体换热储液槽(20)液态原料气注入到气体固化冷冻储存塔阵中的塔芯(e1)、塔芯(e2)、塔芯(e3)、塔芯(e4)、塔芯(e5)，氦气经过压缩机组(13)压缩后进入换热器(14)，再进入氦气冷凝分离存质升压储能环柱塔阵，通过控制塔(h1)两个数控三通阀、塔(h2)两个数控三通阀、塔(h3) 两个数控三通阀，使氦气依照次序流过塔(h1)、塔(h2)、塔(h3)，并且依次与塔芯(d1)、塔芯(d2)、塔芯(d3) 中的冷氦气交换热量，由于温度不断的降低，高压低温氦气通过原料气的气体换热储液槽(20)后，一部分进入膨胀机(24)另一部分进入节流阀(23)，形成的液氦和过冷的气体，然后共同进入液氦储液罐(26)，液氦储液罐(26)中液氦由液压泵(29)注入到气体固化冷冻储存塔阵中的塔(f1)、塔(f2)、塔(f3)、塔(f4)、塔(f5)中，以便用来冷冻液态原料气逐渐成为固体，液氦储液罐(26)上部氦气过冷的气体经过数控三通阀，分别进入塔芯(d1)、塔芯(d2)、塔芯(d3)，而塔芯(d4)中过冷氦气，在塔阵中被加热成接近常温的高压气体，经过数控三通阀，再经过换热器(14)驱动膨胀机(22)做工之后，经过换热器(14)释放出冷能，再返回压缩机组(13)形成一个完整的氦气工作循环，在运行的过程中损耗的氦气由氦气储气罐(25)中的氦气来补充，通过控制气体固化状态冷冻储存塔阵底部的数控四通阀，将液氦逐个的被送回到液氦储液罐(26)中经过一段时间后，打开盖板就能取出固态气，作为各种工业用途使用，当没有固态气需求时，氦气经过压缩机组(13)的初级压缩后经换热器(22)膨胀机(21)数控四通阀，使气体固化冷冻储存塔阵中的塔芯(e1)、塔芯(e2)、塔芯(e3)、塔芯(e4)、塔芯(e5)中的固态原料气逐渐融化成液体，经过数控阀门分送到原料气体的气体冷凝分离存质升压储能环柱塔阵中的塔芯(c1)、塔芯(c2)、塔芯(c3)、塔芯(c4)、塔芯(c5)、塔芯(c6)、塔芯(c7)、塔芯(c8)，供膨胀机(16)做工使用，其中原料气体包括有：空气、氮气、天然气、煤层气、页岩气、水煤气、烟气、氢气，氢气包括有：煤制氢气、天然气制氢气、电解水制氢气、生物质制氢气，烟气包括：燃煤发电厂排出的烟气、烧煤锅炉排出的烟气、烧煤窑炉排出的烟气。

3、所述压缩机组其特征是：由活塞式压缩机、涡旋压缩机、回转压缩机、离心压缩机、轴流压缩机、螺杆压缩机、混流压缩机组成，采用并联、串联、串并联构成机组，压缩机是由电站低谷电、风电、水电、核电、太阳能发电、潮汐发电的电能供给，电动机、发电机、压缩机组的机械轴可以直接连通，可以有选择性连通，简化传动机构，提高机电传动效率，当压缩机的工质是烟气，因烟气组成成分跟空气类似，所以仍然使用空气压缩机压缩烟气。

4、所述，膨胀机组其特征是：由活塞式膨胀机、涡旋膨胀机、回转膨胀机、离心膨胀机、轴流膨胀机、螺杆膨胀机组成，采用并联、串联、串并联构成机组。

5、所述压缩机热储热换热器，其特征是：这是储热器和换热器的复合体，其中一种是由储热器以及换热器并联由开关控制热量的输入与输出，另外一种是在换热器中，充满储热介质，储热介质可以是水、油、石蜡物质，所述可利用热能储热换热器(15)其热能来自烟道余热，汽轮机或燃气轮机的余热、地热、太阳能集热器的热能。

6、所述超导储能器，设计成适中容量快速反应储能装置，成为大容量液态气固态气生成及储能发电工作系统的补充，液氮的温度63k-78k、液氦温度4.215k，送往超导储能器、压缩机、膨胀机就可以利用液氮、液氦来降温冷却轴承，也可以采用低温磁悬浮轴承，来减少摩擦损耗、减少油污，当电网和用户对储能电站，无紧急快速的处理电网故障的要求时，无快速的平滑电网波动要求时，超导储能器(19)、ac/dc电流变换器(18)可以省略不用。

7、所述，清洁空气、烟气气体其特征是：空气、烟气气体经过除尘器或过滤器，将灰尘和颗粒物，有害物质、无用多余物质滤除掉，如果气体是常压就需要经过气体压缩机组压缩，如果气体压强高于压缩机压缩后的气体压强，则具有压力气体可以省略压缩机组。

8、所述：烟气和空气在冻结成为固体时，少量的氦气并没有液化和固化，把氦气收集到氦气储罐或者氦气精炼提纯设备(27)，对氦气进一步进行精炼和提纯。

9、所述：空气在冻结成为固体时，氧气和氮气冻结时已经分层，用绝热材料包裹的切割机，在分层面上进行切割，就能获得固态氧和固态氮，用这种方法也能实现氮气和氧气的分离，

10、把固态氧放入固化状态冷冻储存塔阵中的塔芯(e1)，固态氮放入气体固化状态冷冻储存塔阵中的塔芯 (e2)、塔芯(e3)、塔芯(e4)、塔芯(e5)，当把气体固化状态冷冻储存塔阵中的塔(f1)、塔(f2)、塔(f3)、塔(f4)、塔(f5)内部液氦排空到液氦储液罐(26)中，再将液氦储液罐(26)中过冷的氦气，和膨胀机(21)输出的氦气共同送往气体固化状态冷冻储存塔阵中的塔(f1)、塔(f2)、(塔(f3)、塔(f4)、塔(f5)内部适当控制两种气体的分配比例，把温度控制在-209.8c和-218.4c之间，固态氧溶化成为液态氧而固态氮没有变化，把液态氧输送到液氧储液罐或者液氧精馏设备(28)，对液氧进一步进行精馏和提纯，在使用过程中为了装添方便，采用绝热材料包裹的粉碎机，将固态原料气粉碎成粉末状。

11、所述：整个系统和工作流程，压力传感器、温度传感器、数控阀门，都是由编程计算机来控制完成的。

12、所述：储液槽、气液分离器、节流阀、压缩机组、换热器、膨胀机组、可利用热能储能换热器、超导储能器、氦气储罐或者氦气精炼提纯设备、液氧储液罐或者液氧精馏设备、液氦液压泵、气体冷凝分离存质升压储能环柱塔阵，连接管道和数控阀门，全部用绝热材料包裹成为与外界绝热的工作系统。

13、本发明有益效果是，气体分离、升压、热量交换、气体液体固体相互转化、气体储能、液体储能、固体储能多种功能，采用低温冷凝液化固化方法，在一个装置中完成。这样就简化了设备，提高了效率，减少热能/冷能损失。现有技术，利用低温蒸馏法，将烟气中氮气和二氧化碳，通过低温冷凝，引起二氧化碳相变进行分离，结果是耗能较高。如美国davymckee公司设计的n2、co2低温蒸馏分离方法，该方法能量消耗为燃烧煤能量55％-95％。而本发明采用方法，能够将冷凝物作为储存冷能物质并且能够将冷能回收，并通过等容气化，进而转化成高压气体，获得了很高的压力，使得能量得到充分的回收，另外塔壳、塔芯及塔整体参与能量交换过程，自然都成为储藏冷能物体，增加了冷能储存容量。本发明采用的方法、方案不再另外需要储存能量的物质，如蓄冷介质、水、鹅卵石、金属丝金属结构物、冰球、混凝土、固体液体相变材料、氨及氨的水溶液、盐类水溶液、醇类水溶液、烷烃、烯烃及化合物，这样就省掉了蓄冷装置和材料，这样就简化了设备，减小了体积和容量，由于自身具有冷凝分离的能力，就更增加了系统的可靠性安全性，节省用地、建设成本和运行维护的成本。

14、本发明与wo2011054169a1超临界空气储能系统相比较有如下优点，超临界空气储能系统，是先储存能量，然后根据需要再释放能量。而本发明的技术方案是，储存能量和释放能量同时进行，并且具有气体储能/液体储能两种方式，这样就大大缩减了系统应急启动时间，对电网安全来说是非常必须和必要的。另外本发明方案具有两种储能运行方式，第一种是间歇运行方式，用电低谷时储存能量，用电高峰时释放能量发电，第二种是连续常态化的运行，随时平滑发电和用电出现的大小波动，使电网运行更加平稳。

15、本发明技术方案与高压空气储能技术相比较，用高压罐储存空气，需要强力高压压缩机并且有几百度的压缩热，这些热能如利用得不好，就会造成热能损失。高压空气做功需要经过节流降压，节流降压能量损耗很大，高压空气做功后还伴冷能解释放，如果没有充分的利用，也会造成能量的损失。而本发明提出的技术方案，充分地注意到上述问题，采用相对较低的压力压缩机，降低了制造成本；利用塔阵和热交换器，热能和冷能进行有效回收，并转化为电能，并综合了高压空气储能、气体低温液体储能优越性。

16、本发明的技术方案，与岩洞空气储能相比较，优势在于不受地理位置的限制，不需要燃气轮机配合，不存在处理环境污染的难题，占地少可以向空中发展。

17、本发明技术方案与抽水储能电站相比较，优势在于不受地理位置的限制，不受水环境的限制，不需要搬迁移民，不改变自然环境。

18、本发明技术方案与超级电容储能、磁悬浮飞轮储能相比较，优越性在于造价低，储能容量大，加工和制造难度较小，很容易普及和推广。

19、本发明的技术方案与超导储能相互配合，克服各自的缺点，发挥各自的优势。目前在技术上以液氮作为冷源，超导储能器的容量还不能做得很大，小容量的超导储能器已经商品化了，就是这样小容量的超导储能器，就能与本发明技术方案实现完美的配合。超导储能器，不但省掉制冷装置而且又能够平滑压力波动/压缩机和膨胀机动力输出的波动和用电负荷的波动。当电网发生故障时，超导储能器在几毫秒时间内启动，能瞬间给电网补充电能，接续本发明给出储能技术方案能在几秒内迅速启动，能快速的给电网补充电能，能及时和迅速的阻止电网崩溃，防止大面积的断电发生，可以成为电网安全的”防火墙”保证电网安全可靠的运行。在电网任何一个节点上，只要技术上需要，都能利用本发明改善电能质量，可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿/频率调节、提高系统稳定性、功率输送能力的要求。

20、本发明技术方案，一个明显的优势在于，利用低温热源转化成动力和电力，如锅炉余热、燃气轮机的废热、地热等，尤其是能够与太阳能热发电进行最佳的配合。一般的太阳能热发电，需要一定的规模，太阳能集热器需要高的温度，以满足蒸气轮机对蒸汽温度的要求，需要合适的储热器相配合，这样对地理条件有很高的要求。而储热介质，如油、融盐等各有优缺点，还不够完美。本发明给出的技术方案，利用空气作为工作介质，对太阳能集热器的规模和温度，没有要求，可大可小，可高可低，这样有限空间的太阳能都能充分的利用。能更有效推广太阳能的普及和应用。

21、本发明技术方案更大的优越性，是减少二氧化碳排放，和对环境的保护。通过本发明技术方案，混合气体冷凝分离存质升压储能方法，再增设一些装置，再采取一些措施，完全可以实现对水、氮气、二氧化碳、氮的氧化物、硫的氧化物、重金属、pm2.5等进行搜集储存和利用，变有害物质为有用物质。在气体液化的过程中，气凝胶产生条件被破坏，这就为清除pm2.5等大气污染，提供了技术基础和技术支持。

22、本发明技术方案，一个明显的优势在于，对于风力发电厂，光伏发电站、太阳能热力发电站、核电站、燃煤电站/生物质燃烧发电厂、燃气电站只需要小的技术改动就能利用本方案，这样就节约了技术改造成本，方便于技术推广普及。

23、本发明技术方案，一个明显的优势在于：现在天然气的使用量越来越大，天然气在不同时间不同的季节，使用量不断的变化，这就需要储存天然气，以适应用户对天然气用量的变化需求。夜间对天然气用量需求减少，同时对用电量也减少，利用夜间的电能对天然气进行液化和固化，来储存天然气，这样就可以满足不同时段不同季节对天然气的用量的需求。也有利于电网的运行。利用地下岩层储藏天然气，要受到地质条件的限制，符合天然气储藏条件的地址岩层，可能离开用气城市用气单位较远，这需要很长的管线，造成用气的不方便，和用气压力的损耗，而本技术方案就很好的解决了这些困难。